邬喜仓,孔德磊

(神华神东保德煤矿,山西 保德 036600)

瓦斯抽采钻孔合理封孔长度研究

邬喜仓,孔德磊

(神华神东保德煤矿,山西 保德 036600)

针对煤矿巷道开挖之后,巷道围岩一定范围内为应力降低区(即巷道松动区),高突矿井进行瓦斯抽采钻孔封孔时,封孔段如果处在松动区范围,巷道内的空气会通过围岩裂隙进入抽采管,导致抽采浓度偏低的问题,运用FLAC3D数值模拟和钻屑量法对巷道围岩应力分布进行了研究,进而确定瓦斯抽采钻孔合理封孔长度。

应力分布;封孔长度;瓦斯抽采;抽采浓度

近年来,随着煤矿开采深度的增加,瓦斯灾害日益严重,且抽采愈加困难。井下进行瓦斯抽采时,如果封孔长度过短,封孔段处于巷道松动区内,则巷道内空气随围岩裂隙进入抽采管内,导致抽采浓度偏低。如果封孔长度过长,则钻孔的抽采范围偏小,浪费人工、设备和材料。巷道周围岩体应力分布由近及远分别为:应力降低区、应力集中区和原岩应力区。巷道松动区范围即应力降低区。合理的封孔长度应该是越过应力降低区但不超过应力集中区[1]。本文运用FLAC3D数值模拟和钻屑法对神华集团下属某矿一工作面胶运巷的巷道围岩应力分布进行了研究,进而确定了瓦斯抽采钻孔合理封孔长度。

1 巷道围岩应力数值模拟

1.1 煤岩力学参数

FLAC3D是二维有限差分程序FLAC2D的进一步拓展,能够对土质、岩石以及其它材料的三维结构受力特性进行模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元可以模拟实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型,在外力的作用下,当材料发生屈服流动后,网格能够相应发生变形和移动。FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术,能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。

本文研究的工作面煤层顶底板煤岩分布及力学参数如表1所示。在FLAC3D中还需要用到体积模量K和剪切模量G。而体积模量和剪切模量均由弹性模量E和泊松比μ转化而来的[2]。

1.2 模型的建立

该工作面的平均埋深为530 m。岩石的容重取25 kN/m3,则对应的垂直应力即自重应力约为13.3 MPa。根据矿上地应力测试结果,取侧压系数1。工作面走向长度732 m,倾向长度148.8 m,巷道断面为矩形,宽×高=4.0 m×4.0 m。在二维剖面上,底板为砂质泥岩,保护煤柱底板网格划分为15×2,巷道底板网格划分为1×2,开采煤层底板44×2;煤柱网格划分为15×2,皮带巷网格划分为1×2,开采煤层网格划分为44×2;顶板砂质泥岩,保护煤柱顶板网格划分为15×2,巷道顶板网格划分为1×2,开采煤层顶板44×2;上层中粒砂岩网格分别划分为15×10,1×10,44×10。根据现场试验的时间,皮带巷向前掘进至500 m的位置。利用FLAC建立模型,见图1。

表1 煤层顶底板煤岩分布及力学参数

它们的关系为:

图1 模型图Fig.1 Model diagram

1.3 模拟结果

经过加载计算,巷道围岩应垂直应力分布图,见图2。

图2 巷道围岩垂直应力分布图Fig.2 Vertical stress distribution ofsurrounding rock in roadways

根据Tecplot导出的数据,用EXCEL生成巷道一侧工作面煤体的垂直应力分布曲线,见图3。

图3 巷道右侧围岩垂直应力分布曲线Fig.3 Distribution curve of vertical stress

由图2、图3可知,该工作面胶运巷向前掘进500 m后,原岩应力平衡状态得到了破坏,煤体的应力重新分布。在距离巷道右侧煤帮0 m～6.87 m的范围内是垂直应力的应力降低区,即巷道松动区,围岩应力在9 m左右达到峰值。

2 钻屑法确定巷道围岩应力分布

在巷道正帮向工作面煤体施工10个直径42 mm,深度13.5 m(1.5 m×9),每米测量一次钻屑量,并记录相应的动力现象。将各个钻孔不同深度的钻屑量录入EXCEL,用EXCEL得到各个钻孔不同深度的散点图,对散点进行曲线拟合后,得到每1.5 m的钻屑量与钻孔深度的变化曲线[3],见图4。

图4 各钻孔每1.5 m钻屑量随孔深变化曲线Fig.4 Variation curves of drill-cutting-weight per 1.5 m with borehole depth

根据钻屑量与矿压的线性关系,由图4可知巷道围岩0 m～6 m范围内为应力降低区即巷道松动区,围岩应力在9 m～10 m达到峰值。

3 结束语

本文对神华集团下属某矿一工作面胶运巷的围岩应力分布进行了数值模拟及钻屑量测定,得到巷道松动区范围为0 m～7 m,应力峰值在9 m左右。为了提高瓦斯抽采钻孔封孔质量,提高抽采浓度,并尽量增加钻孔抽采范围,减少人力物力浪费,故基本确定该巷道瓦斯抽采钻孔的合理封孔长度为7 m～9 m。

[1] 魏风清,张晋京.钻孔瓦斯涌出初速度测试深度的探讨[J].煤炭科学技术,2004,32(5):61-64.

WEI Fengqing,ZHANG Jinjing.Discussion on Test Depth of Initial Speed from Borehole Gas Emission[J].Coal Science and Technology,2004,32(5):61-64.

[2] 尚群.赵庄3#煤层瓦斯抽采钻孔合理封孔长度研究[D].焦作:河南理工大学,2010.

[3] 陆振裕,窦林名.钻屑法探测巷道围岩应力及预测冲击危险新探究[J].煤炭工程,2011(1):77-79.

LU Zhenyu,DOU Linming.New Discovery on Drilling Cuttings Method to Detect Surrounding Rock Stress of Mine Roadway and Predict Mine Pressure Bumping Dangers[J].Coal Engineering,2011(1):77-79.

StudyonRationalSealingLengthofBoreholesinGasExtraction

WUXicang,KONGDelei

(BaodeMine,ShenhuaShendongCoalGroup,Baode036600,China)

After the excavation of coal mine roadways, surrounding rock will become a stress reduced zone (or loosening zone of roadway) within a certain range. When boreholes are sealed during gas extraction in high-outburst mines, if the sealing section is in the loosening area, the air in the roadway will enter the extraction pipe through the fissures of the surrounding rocks, resulting in low gas concentration. The stress distribution of the surrounding rock is studied by the numerical simulation with FLAC3Dand drill-cutting-weight method to determine the rational sealing length of the boreholes in the gas extraction.

stress distribution;sealing length;gas extraction;gas concentration

1672-5050(2017)01-0041-02

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.012

2016-03-21

邬喜仓(1984-),男,内蒙古鄂尔多斯人,大学本科,助理工程师,从事煤矿瓦斯抽采工作。

X936

A

(编辑：薄小玲)